TCR Pyrolyse

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Pflanzenkohle – Eigenschaften und Nutzung

Pflanzenkohle eignet sich zur Bodenverbesserung, ihre Gewinnung erfolgt aus Biomasse unter hohen Temperaturen und Druck, bei Ausschluss von Sauerstoff in einem Pyrolyseverfahren. Je nach Ausgangsmaterial, Pyrolyseprozess (Produktionstemperatur, -druck, -geschwindigkeit) und der Aufbereitung der Pyrolysesubstrate vor dem Einbringen in den Boden, variieren die Eigenschaften der Pflanzenkohle. So wird z.B. der Kohlenstoffanteil der Pflanzenkohle und damit weitere Eigenschaften, wie z.B. ihre Bodenverweildauer, durch die Produktionstemperatur bestimmt. Ebenso bestimmt der Pyrolyseprozess die spezifische Oberfläche, die Porengröße und -verteilung und damit die Wasserhaltekapazität der Pflanzenkohle, oder den pH-Wert und damit auch die für Pflanzen verfügbaren Nährstoffe.

Der Einsatz von Pflanzenkohle zur Bodenverbesserung

Das große Porenvolumen von Pflanzenkohle (PK) verbessert die Infiltrationseigenschaften und damit den Wasserrückhalt bei Starkregenereignissen (Wasserretention) sowie die Speicherfähigkeit von Nährstoffen. Sie reduziert Lachgasemissionen, optimiert den Pflanzenaufwuchs und erhöht die Mikroorganismen- und Humusbildung.

Die Aspekte der 'Bodenverbesserung durch Pflanzenkohle im Überblick:

  • Steigerung der Wasseraufnahme und -speicherfähigkeit insbesondere sandiger Böden
  • Steigerung des Porenvolumens und damit die verbesserte Bodengare (d.h. Bodenzustand) fester Böden
  • Förderung der Humusbildung
  • Vitalisierung des Edaphon (Bodenlebewesen)
  • Erhöhung der Pflanzenverfügbarkeit von Phosphor und Stickstoff
  • Stimulation des Wurzelwachstums
  • Ertragsstabilisierung in der Pflanzenproduktion
  • Reduktion von Lachgasemissionen durch Bindung von überflüssigem Stickstoff
  • Minderung von Nährstoffauswaschung und dadurch Reduktion der Nitratbelastung in Gewässern
  • Reduktion der Auswaschung von Schwermetallen in das Grundwasser

Stehen die bodenverbessernden Wirkungen nicht im Vordergrund, kann die TCR-Pyrolyse auf die energetische Nutzung von Biomasse optimiert werden (z.B. Fokus auf einen hohen Ertrag an Pyrolysegas).

Bodenverweildauer von Pflanzenkohle

O:C-Verhältnis im Zeitverlauf
Abb. 1: O:C-Verhältnis im Zeitverlauf [1]

Im Boden wird Pflanzenkohle durch heterotrophe Organismen (z.B. Pilze) abgebaut. Umweltfaktoren wie Bodentemperatur und -feuchtigkeit haben Einfluss auf die Aktivität von Organismen und somit auch auf die Verweildauer der Pflanzenkohle. Höhere Umgebungstemperaturen, ein oft wechselnder Wasserhaushalt (gesättigte und ungesättigte Phasen) und gefrorenes Wasser fördern dabei einen schnelleren Abbau. Für den mikrobiologischen Abbau der Pflanzenkohle gilt als Orientierung: je höher die Produktionstemperatur und damit der Kohlenstoffanteil der Pflanzenkohle, desto stabiler ist die Kohle gegenüber dem mikrobiellen Abbau (vgl. IPCC 2019[2]), siehe Abbildung (C-Abbaurate in Abhängigkeit der Pyrolysetemperatur).

Bodenverweildauer in Abhängigkeit der Pyrolysetemperatur
Abb. 2: Bodenverweildauer in Abhängigkeit der Pyrolysetemperatur[2]

Speziell das molare Verhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff (O:C Verhältnis) wurde in wissenschaftlichen Studien als ein robuster Indikator für die Einschätzung der Bodenverweildauer identifiziert. Lässt sich ein molares O:C Verhältnis < 0,2 feststellen, wie es sich u.a. durch hohe Pyrolysetemperaturen in Kombination mit einer optimierten Heizrate (hier speziell die Gleichmäßigkeit der Erhitzung), Kühlung und Lagerung erreichen lässt, handelt es sich mit hoher Wahrscheinlichkeit um eine Pflanzenkohle mit einer Bodenverweildauer (Halbwertszeit) von über 1000 Jahren (siehe Tab. 1).[3][4][5]

Beladung der Kohle

Die Pflanzenkohle sollte vor dem Einbringen in den Boden beladen werden, sonst besteht die Gefahr des Nährstoffentzuges. Wird Pflanzenkohle während der Kompostierung beigegeben, kann diese mit reichlich Nährstoffen aufgeladen werden (siehe Abb. 3). Ein Verhältnis zu Kompost von 1:10 bewirkt eine Zunahme von Mikroorganismen und dadurch eine Reduktion der Methanemissionen bei der Kompostierung. Zudem besteht die Möglichkeit der Zugabe von Pflanzenkohle zu Gülle oder Biogasgärresten, sodass die Nährstoffe in der Pflanzenkohle gespeichert werden, diese sind dadurch wurzelverfügbar und die Pflanze kann die Nährstoffe sukzessive aufnehmen.

Beladung der Pflanzenkohle mit Gärresten
Abb 3: Beladung der Pflanzenkohle mit Gärresten, bevor diese auf den Versuchsflächen ausgebracht werden.

Ertragssteigerung

Durch Einsatz von Pflanzenkohle kann die Nährstoffverfügbarkeit an der Pflanzenwurzel durch eine hohe Kationenaustauschkapazität (KAK) verbessert und gleichzeitig eine höhere Verfügbarkeit von Wasser und den darin enthaltenen Nährstoffen erzielt werden. Dies resultiert aus der großen spezifischen Oberfläche von ca. 300 qm pro Gramm  und die dadurch erzeugte hohe Adsorptionskapazität (AK). Zudem wird die Humusbildung gesteigert. Pflanzenkohle wirkt dadurch langfristig positiv auf die Bodenqualität. Andere vorteilhafte Aspekte der Pflanzenkohle sind anhand weiterer agronomischer Parameter erkennbar (siehe Abb. 4)[6]. Um die Wirksamkeit von Pflanzenkohle in der Pflanzenproduktion zu überprüfen, wurden im September 2021 in einem wissenschaftlichen Feldversuch beladene TCR-Pflanzenkohle und Gärrest ohne Pflanzenkohle in den Boden eingebracht und einem Kontrollstreifen gegenübergestellt. In Abbildung 5 ist die Wirkung der Pflanzenkohle in Form eines optimalen und gleichmäßigen Aufwuchses der Gelbsenf-Saat zu erkennen.

untersuchte Parameter nach Schmidt et al.
Abb 4: Ausgewählte Parameter mit höchster agronomischer Relevanz, die in den 26 überprüften Meta-Analysen untersucht wurden [vgl. Schmidt et. al 2021]. am 10.11.2021
Vergleich der Testflächen
Abb 5: Vergleich der Testflächen (mit Gärrest beladene Pflanzenkohle und Gärrest) am 10.11.2021

Wasserretention

Die Porosität von Pflanzenkohle aufgrund ihrer großen spezifischen Oberfläche steigert den Wasserrückhalt. Die hohe Adsorptionskapazität (AK) stellt gleichzeitig im Wasser enthaltene Nährstoffe wurzelverfügbar. Das Edaphon wird belebt und steigert die Funktion des Wasserrückhaltes ebenfalls.

Reduktion von Lachgasemissionen

Wird in der Pflanzenproduktion zu viel stickstoffhaltiger Dünger verwendet oder zur falschen Zeit gedüngt, kann dieser nicht vollständig von den Pflanzen aufgenommen werden. Überschüssiger Stickstoff  wird von Mikroorganismen durch Nitrifikations- und Denitrifikationsvorgänge in Lachgas umgewandelt und es resultieren Treibhausgasemissionen. Durch die hohe Adsorptionsfähigkeit der im Boden eingebrachten Pflanzenkohle kann der überschüssige Stickstoff gebunden werden. Er ist dann in den zahl­rei­chen, kleinen Poren (< 100 nm) der Pflan­zen­koh­le stabil gebun­den und wird nur langsam und in kleinen Mengen beim Pflanzenwachstum aufgenommen. Für Mikroorganismen ist er damit nicht mehr frei verfügbar, die Wandlung in klimawirksames Lachgas wird unterbunden.

Phosphor-Verfügbarkeit

Phosphor-Verfügbarkeit in Abhängigkeit von Ausgangsstoffen
Abb. 6: Phosphor-Verfügbarkeit in Abhängigkeit von Ausgangsstoffen [7]

Die Metastudie von Glaser&Lehr (2019)[8] zu 25 Einzelstudien mit einem Umfang von 108 paarweisen Vergleichen zeigt, dass der Einsatz von Pflanzenkohle die Verfügbarkeit von Phosphor im Mittel um 460 % erhöht. Die Wirkung variiert in Abhängigkeit der Prozesstemperatur, der ausgebrachten Menge, dem Bodentyp und den Ausgangsstoffen. Während Pflanzenkohle aus Waldreststoffen keinen signifikanten Effekt auf die Verfügbarkeit von Phosphor hat, zeigt die Metaanalyse eine sehr große Wirkung bei Pflanzenkohle aus Tierexkrementen (580 %), biologischen Siedlungsresten (490 %) und Ernterückständen (320 %) wie in Abbildung 6 zu sehen ist. In der Metastudie zeigt die Wirkung von Klärschlamm-Karbonisaten eine große Streuung, welche auf die geringe Zahl an Studien (4) zurückgeführt wird. Das im Karbonisat enthaltene Phosphor ist aufgrund thermochemischer Prozesse nicht wasserlöslich und erst durch Säuren, die bei Humusbildung und Wurzelwachstum entstehen, pflanzenverfügbar.

Eignung der Böden

Hinsichtlich der Speicherfähigkeit für Wasser und Nährstoffe eignen sich besonders sandige Böden zum Einsatz von Pflanzenkohle, aufgrund der geringen spezifischen Oberfläche dieser Böden. Durch den Einsatz von Pflanzenkohle kann eine erhebliche Steigerung der Wasser- und Nährstoffspeicherung erzielt werden. Auch die Erhöhung der nutzbaren Feldkapazität (nFK, i.e. die Wassermenge, die ein Boden pflanzenverfügbar speichern kann) ist bei sandigen Böden zu beobachten. Lehmige bzw. tonige Böden hingegen besitzen bereits eine große spezifische Oberfläche und somit eine recht große natürliche Speicherfähigkeit, weshalb steigernde Effekte bezüglich des Wasserspeichervermögens durch Pflanzenkohle eher gering ausfallen. Vorteile bietet die Pflanzenkohle jedoch auch für diese Böden durch die Verbesserung der Durchlüftung.

Schwermetalle

Schwermetalle sind natürliche, jedoch gleichzeitig toxische Bestandteile des Bodens[9] und kommen auf natürliche Weise in allen Biomassen vor. Diese natürlichen Hintergrundkonzentrationen sind für Mensch und Umwelt i.d.R. unbedenklich und in geringen Dosen sogar lebenswichtig. Bodenbelastungen mit Schwermetallen über das natürliche Maß hinaus sind jedoch problematisch, da Schwermetalle nicht abgebaut, sondern maximal durch eine Umverteilung lokal gemindert oder den Stoffkreisläufen durch Immobilisierung entzogen werden.

Beispiele für Schwermetalle, die Böden belasten, sind Blei und Cadmium. Sie sind weit verbreitet und besonders toxisch. Blei ist im Boden wenig mobil und wird nur in Ausnahmefällen über Pflanzenwurzeln aufgenommen. Cadmium ist im Boden recht mobil und kann bei zu niedrigen pH- Werten oder geringen Humusgehalten leicht von der Vegetation aufgenommen werden, was zu einer Überschreitung von Lebensmittelricht- bzw. Futtermittelgrenzwerten führen kann.

Da bei der Pyrolyse organische Bestandteile zersetzt werden, Metalle aber nicht, kann es zu einer Aufkonzentration der Schwermetalle in der entstehenden Pflanzenkohle kommen. Nur wenige Schwermetalle gehen während der Pyrolyse in die Gasphase über (d.h. sie verdampfen und werden über die Gasreinigung der Pyrolyseanlage entfernt). Ein Beispiel wäre Quecksilber, das einen sehr niedrigen Siedepunkt (357 °C) aufweist, aber auch Cadmium bei Pyrolysetemperaturen über 600 °C (nicht publizierter Versuchsbericht Entsorgungsverband Saar, labortechnische Auswertung Klärschlammkarbonisate  des Zweckverbandes Niederfrohna). Bei der Suche nach möglichen Anwendungsgebieten von Pflanzenkohle wurde u.a. der Einsatz als kostengünstiges Schwermetall-Adsorber bei der Abwasseraufbereitung untersucht. Eine Studie belegt, dass Pflanzenkohle für die Schwermetall-Adsorption geeignet ist und teilweise sogar effizienter wirkt als Aktivkohle[10]. Schwermetalle werden, je nach Typ der Pflanzenkohle, über verschiedene Mechanismen, wie z.B. Komplexierung, physikalische Sorption, Fällung oder elektrostatische Wechselwirkungen gebunden. Um ein Einbringen von Schwermetallen in den Boden durch belastete Pflanzenkohle zu vermeiden, ist es wichtig, entsprechend unbelastetes Ausgangsmaterial für die Produktion zu verwenden. Dazu müssen von den Herstellern Qualitätsstandards, bspw. des EBC, eingehalten und überwacht werden (Analysen, Dokumentation der eingesetzten Biomassen und der Produktionsbedingungen). Wissenschaftliche Untersuchungen zeigen, dass sogar auf mit Schwermetall belasteten Standorten durch Einsatz hochwertiger Pflanzenkohle ein entsprechend zugeschnittener Anbau von Pflanzen wieder möglich gemacht werden kann[11].

Weitere Anwendungsmöglichkeiten von Pflanzenkohle in der Landwirtschaft

Neben dem Einsatz von Pflanzenkohle zur Bodenverbesserung stellt die Zugabe von Pflanzenkohle in Kompostierungsprozessen ein weiteres Anwendungsgebiet dar. Eine Metaanalyse [12] aus dem Jahr 2020 zeigt, dass als Kompostadditiv eingesetzte Pflanzenkohle die Stickstoffverluste im Kompost um 30% sowie die Lachgasemissionen um 66% reduzieren kann. Durch den Einsatz der Kohle kann somit sowohl der Kompost aufgewertet als auch die Umweltbilanz der Kompostierung durch das Senken der Treibhausgasemissionen verbessert werden[12].

Ein weiteres Anwendungsgebiet für Pflanzenkohle in landwirtschaftlichen Betrieben ist die Zugabe als Anwendungshilfsmittel in Biogasanlagen. Wird die Pflanzenkohle dem Fermenter der Biogasanlage  zugegeben, können sich durch den Kohlenstoffgehalt und die große, feinporige Oberfläche der Pflanzenkohle methanbildende Mikroorganismen schneller vermehren. Dies trägt zu einer Steigerung des Methangehalts bei. Gleichzeitig zeigen Studien[13], dass die Beigabe von Pflanzenkohle die CO2- und Ammoniakemissionen des Prozesses verringert. Die anfallenden Gärreste, welche die mit Nährstoffen beladene Pflanzenkohle enthalten, können zudem als Bodenverbesserer auf landwirtschaftlichen Flächen ausgebracht werden und dort zum Humusaufbau beitragen.

Pflanzenkohle - die pyrolytischen Aufschlussverfahren

Bei der Pyrolyse wird Biomasse unter Ausschluss von Sauerstoff verkohlt. Die bodenverbessernden Eigenschaften der Pflanzenkohle lassen sich hierbei gezielt einstellen. Im Pyrolyseprozess entstehen Gas, Öle und Pflanzenkohle.

Es bestehen Abhängigkeiten zwischen den folgenden drei Faktoren:

  • eingesetzte Ausgangs-Biomasse,
  • Parameter der Pyrolyse und
  • Bodenart.

Diese Abhängigkeiten lassen sich durch die Wahl der Pyrolyseparameter aufeinander abstimmen. Mit der Entwicklung neuartiger Pyrolyseverfahren stehen nahezu alle Biomasseströme, technisch betrachtet, beinahe unkonditioniert (auch Restfeuchten über 50 gew.%) für die Herstellung von Pflanzenkohle zur Verfügung.

Anforderungen an Ausgangsstoffe für Pflanzenkohle

Die Eigenschaften von Pflanzenkohle ergeben sich aus der Kombination der Eigenschaften der eingesetzten Ausgangsstoffe und den Parametern des Herstellungsprozesses. Dabei können durch die Auswahl der Ausgangsstoffe die Gehalte und Verfügbarkeiten an Nähr- und Nebenstoffen in den Pyrolysesubstraten sowie deren Struktur und Stabilität variieren. Je nach Ziel und angestrebter Nutzung im Boden sollten entsprechende Ausgangsstoffe für die Herstellung gewählt werden. Folgende Ausgangsstoffe sind potentiell für eine qualitativ hochwertige Pflanzenkohle geeignet: Totholz, Gärreste der Biogaserzeugung, Reste aus der Pflanzenproduktion insbesondere Stroh, Klärschlamm, Grünschnitt, tierische Exkremente. Für eine Anwendung der Pflanzenkohle in der Landwirtschaft ist zu beachten, dass nur Ausgangsstoffe verwendet werden dürfen, die den Anforderungen der Düngeverordnung VO (EU) 2019/1009 entsprechen (s.u. Gesetzliche Rahmenbedingungen).

Die technische Pyrolyse

Die technische Pyrolyse wird seit den 90iger Jahren entwickelt, um jegliche an Land wachsende Biomasse mit Restfeuchten bis zu 50 gew.% bei Temperaturen zwischen 380 °C und 1000 °C zu Pflanzenkohle und Synthesegas zu pyrolysieren. Das Synthesegas wird hierbei zum Prozesserhalt und für die energetische Nutzung eingesetzt. Es entsteht sehr feinporige Pflanzenkohle.[14]

Das Thermokatalytische Reforming (TCR®)

Das Thermokatalytische Aufschlussverfahren (TCR®) [15] erfolgt in zwei Prozessschritten. Für den Betrieb beider Stufen sind 10 – 15 % der im Einsatzstoff verfügbaren Energie notwendig.[16] Wie in Abb. 8 ersichtlich, wird zunächst in einem Schneckenreaktor bei 450 - 550 °C aus der Restbiomasse (Trockengehalt > 70 %) eine Rohkohle erzeugt, die daraufhin über ein Koksbett bei 500 - 750 °C geführt wird. Neben einem hochwertigen, anthrazitartigen Produkt, mit 48 gew.% Kohlenstoffgehalt, entsteht durch Abkühlung der Dämpfe (Kondensation) zusätzlich ein thermisch stabiles Öl, welches hydrierbar ist bzw. als Motorenöl eingesetzt werden kann. Der Gasanteil wird gereinigt, der Wasserstoffanteil im verbleibenden Pyrolysegas liegt bei 30 % - 42 %. Die hier genannten Prozessparameter gelten für die Erzeugung im Boden persistenter Pflanzenkohle und können je nach gewünschtem Endprodukt, wie beispielsweise für die energetische Nutzung und dem Ziel möglichst viel Synthesegas (Wasserstoff) zu erhalten, verändert werden. Für die Bodenverbesserung nutzbare Pflanzenkohle entsteht aus 50 gew.% der restfeuchten Ausgangsmasse. 30 gew.% der restfeuchten Ausgangsmasse sind energetisch nutzbar.[16]

In TCR®-Laborversuchen zeigt sich die Abhängigkeit der erhaltenen Output-Masse an Gas, Öl und Pflanzenkohle von der gewählten Prozesstemperatur. Mit zunehmender Prozesstemperatur, die für die Herstellung persistenter Pflanzenkohle benötigt wird (siehe Kapitel 1.2) reduziert sich die Masse der gewonnenen Pflanzenkohle sowie des im Prozess entstehenden Öls. Gleichzeitig steigt die Masse an gewonnenem Pyrolyse-Gas und die Verluste im Prozess werden minimiert. Die Output-Massen sind zudem abhängig vom gewählten Ausgangssubstrat und dem Silikatanteil dessen. Bei der Verwendung von Ausgangssubstraten mit einem höheren Silikatanteil, wie beispielsweise Stroh im Vergleich zu Holz, ist eine Steigerung der gewonnenen Masse Pflanzenkohle zu erwarten.

Technikumsanlage für das Thermokatalytische Reforming
Abb. 7: Technikumsanlage für das Thermokatalytische Reforming (TCR®)
Abb. 8: Schematische Darstellung TCR®-Prozess

Die Vapothermale Carbonisierung

Die Vapothermale Carbonisierung (VTC) setzt Wasserdampf für eine schnellere und effizientere Prozesssteuerung ein. Zudem sind Biomassen mit über 50 gew.% Restfeuchtegehalt pyrolysierbar. Der exotherme Prozess wird zwischen 180 und 250 °C und Drücken zwischen 16 bis 42 bar gefahren.[17]

Die Hydrothermale Carbonisierung

Die Hydrothermale Carbonisierung (HTC) erfolgt unter Zugabe von Wasser bei ca. 20 bar und Temperaturen ab 180 °C. Je länger die Verweilzeiten und je höher die Temperaturen gefahren werden, desto stabiler sind die HTC-Kohlen gegen mikrobiellen Abbau.[18] Für das HTC-Verfahren eignen sich auch (im Gegensatz zur trockenen Pyrolyse) feuchte Biomassen, da sie für den Prozess nicht getrocknet werden müssen.

Kon-Tiki

Im Gegensatz zu industriellen Pyrolyseverfahren wird hier mit offenem Feuer in einer tiefen Schale gearbeitet. Die thermodynamische Prozesssteuerung erfolgt durch thermische Strömungen in der tiefen Schale, wobei offenes Feuer und Hitze die Pyrolysegase weitgehend schadstofffrei abbauen. Das Substrat kann durch die European Biochar Certification (EBC) zertifiziert werden. Eine energetische Nutzung entfällt in diesem Verfahren, jedoch lässt es sich als „low-tec“ Technologie dezentral bei geringen Investkosten einsetzen.[19]

Pflanzenkohle – die gesetzlichen Rahmenbedingungen

Der Einsatz veränderter Biomassereststoffe, hier Pflanzenkohle, als Düngeprodukt oder für die CO2-Sequestrierung in Böden, bedarf der Berücksichtigung rechtlicher Rahmen­bedingungen. Hier gibt es sowohl europäische als auch  nationale Vorschriften. Grundsätzlich können Hersteller bei der Bereitstellung von Düngeprodukten zwischen zwei Optionen wählen:

  • EU-Düngeprodukte mit einer CE-Kennzeichnung nach der Verordnung (EU) 2019/1009 oder
  • nach nationalem Recht hergestellte und zugelassene Düngemittel (in Deutschland Düngemittelverordnung).

Voraussetzung für eine Verwendung der CE-Kennzeichnung ist das erfolgreiche Durchlaufen des Konformitätsbewertungsverfahrens (i.S.d. Art. 15 i.V.m. Anhang IV VO (EU) 2019/10091). Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die Pflanzenkohle einem freiwilligen Zertifizierungsprozess zu unterziehen, entweder gemäß EBC (EU) oder IBI (USA).

Gesetzliche Rahmenbedingungen der EU

Für die Europäische Union gilt seit 16.07.2022 die neue Düngeprodukteverordnung VO (EU) 2019/1009. Mit dieser wurden die Harmonisierungsrechtsvorschriften für die Bereitstellung von EU-Düngeprodukten auf dem Europäischen Binnenmarkt erweitert, z.B. um organische Düngemittel, die durch Pyrolyse- und Vergasungsverfahren hergestellt werden. Die Einordnung als Düngemittel ist nun unabhängig vom Herstellungsverfahren und richtet sich nach der Bewertung anhand der Produktfunktionskategorie (PFC) sowie der Komponentenmaterialkategorie (CMC). Den PFC und teilweise auch den CMC werden spezifische Eigenschaften wie Mindestgehalte an Nährstoffen, Löslichkeiten und Höchstgehalte an Schadstoffen zugeordnet. Somit ist Pflanzenkohle als Düngemittel bei entsprechender Berücksichtigung der neuen Anforderungen von PFC und CMF zulässig.

Rechtliche Regelungen für Düngemittel und Bodensubstrate in Deutschland

Die Düngemittelverordnung (DüMV) regelt das Inverkehrbringen von Düngemitteln, Bodenhilfsstoffen, Kultursubstraten und Pflanzenhilfsmitteln. In Anlage 1 werden die zulässigen Düngemitteltypen sowie deren Mindestgehalte, Bestandteile und die Art der Herstellung definiert. Neue Ausgangsstoffe für die Herstellung von Düngemitteln müssen für eine Aufnahme in die Anhänge der DüMV beim BMEL (Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft) beantragt werden. In Deutschland ist Pflanzenkohle weder als Düngemittel noch als Bodenhilfsstoff anerkannt. Eintragungen in die deutsche Düngemittelliste erfolgen durch einen wissenschaftlichen Beirat für Düngungsfragen, der durch das BMEL zu benennen ist. Entscheidend für den Einsatz im Boden ist der Gehalt an Schwermetallen und organischen Schadstoffen (PAK, PCB, Dioxine, Furane) in der Pflanzenkohle. Um eine Freisetzung von Schadstoffen im Boden zu vermeiden, sind durch das Bundes-Bodenschutzgesetz (BBodSchG) in der Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung (BBodSchV) einzuhaltende Grenzwerte festgelegt[20]. Parallel muss nach §4 Anlage 2 der DüMV auch die Einhaltung der Schadstoffgrenzen durch Schadstoffanalysen überprüft werden, um eine Belastung der Böden durch das Einbringen schädlicher Produkte zu verhindern.

Rechtliche Voraussetzungen für die Anerkennung der Pflanzenkohle als Produkt

Für die Nutzung von Pflanzenkohle als Produkt aus Restbiomassen muss mit dem Pyrolyse-Prozess das Abfallende der Restbiomassen erreicht werden. Hierfür sind nach dem Kreislaufwirtschaftsgesetz vier Grundvoraussetzungen zu erfüllen (§5 des KrWG)[21]:

  1. Im Vorfeld muss ein Verwendungszweck für den entstehenden Stoff festgelegt werden (z.B. die Verwendung von Pflanzenkohle als Bodenhilfsstoff).
  2. Es gibt eine Nachfrage für das Produkt bzw. einen real existierenden Markt.
  3. Das entstehende Produkt muss zudem alle technischen sowie rechtlichen Anforderungen für die vorgesehene Verwendung erfüllen (z.B. Qualitätskriterien durch Düngemittelverordnung; EBC-Zertifizierung).
  4. Das Produkt darf keine schädlichen Auswirkungen auf Mensch oder Umwelt haben.

Eine Konkretisierung dieser Voraussetzungen kann, festgelegt durch Absatz 2, z.B. durch die Bestimmung von Schadstoffgrenzwerten oder Anforderungen an die Qualitätskontrollen erfolgen. Ob die Voraussetzungen erfüllt werden, hat der Pflichtadressat nach sorgfältiger Prüfung zu entscheiden. Die zuständige Abfallbehörde kann im Rahmen behördlicher Überwachung das Vorliegen der Voraussetzungen gem. § 5 KrWG überprüfen.

Im Falle der weiteren Behandlung von Biomasse gelten neben dem Kreislaufwirtschaftsgesetz zudem folgende Verordnungen:

  • BioAbfV (bei der Verwendung von Biomasse in Verbindung mit Bioabfällen)
  • AbfKlärV (bei der Verwendung von Biomasse in Verbindung mit Klärschlamm, auch wenn zusätzlich Bioabfälle vorhanden sind)

Bei einer Anwesenheit tierischer Nebenprodukte in der Biomasse sind Hygieneanforderungen zu beachten.

Gesetzliche Anforderungen für die Errichtung und den Betrieb einer Pyrolyseanlage

Die Bemessungsgrundlage zur Bestimmung der Art der Genehmigungspflicht einer Pyrolyseanlage erfolgt auf Basis des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (BImSchG, Gesetz zum Schutz vor schädlichen Umwelteinwirkungen durch Luftverunreinigungen, Geräusche, Erschütterungen und ähnliche Vorgänge) anhand ihrer Durchsatzkapazität und der Art des Ausgangsstoffes. Eine Pyrolyseanlage gilt laut BImschG für die in Tabelle Nr.YX aufgelisteten Durchsatzkapazitäten als genehmigungspflichtig.[22]

Tabelle 1: Genehmigungsverfahren für Pyrolyseanlagen gemäß BImSchG.
Anlagenbeschreibung Verfahrensart
10 Tonnen gefährliche Abfälle oder mehr je Tag Genehmigungsverfahren gemäß § 10 BImSchG
weniger als 10 Tonnen gefährliche Abfälle je Tag
3 Tonnen nicht gefährliche Abfälle oder mehr je Stunde
weniger als 3 Tonnen nicht gefährliche Abfälle je Stunde, ausgenommen die Verbrennung von Altholz der Altholzkategorie A I und A II nach der Altholzverordnung vom 15. August 2002 (BGBl. I S. 3302), die zuletzt durch Artikel 6 der Verordnung vom 2. Dezember 2016 (BGBl. I S. 2770) geändert worden ist Vereinfachte

Genehmigungsverfahren gemäß § 19 BImSchG (ohne Öffentlichkeitsbeteiligung)

weniger als 3 Tonnen nicht gefährliche Abfällen je Stunde, soweit ausschließlich Altholz der Altholzkategorie A I und A II nach der Altholzverordnung verbrannt wird und die Feuerungswärmeleistung 1 Megawatt oder mehr beträgt.

Zertifikat zur Qualitätssicherung von Pflanzenkohle: EBC

Das European Biochar Certificate (EBC)[23] ist ein freiwilliger Industriestandard in Europa. Urheber ist das schweizerische Ithaka-Institut, abgewickelt wird die Zertifizierung über Carbon Standard International (CSI). Ziele der EBC-Richtlinien sind:

  • die wissenschaftlich stichhaltige, gesetzlich abgesicherte, wirtschaftlich verantwortbare und praktisch umsetzbare Kontrolle der Produktion und Qualität von Pflanzenkohle,
  • das Ermöglichen einer transparenten und nachvollziehbaren Kontrolle und Qualitätsgarantie für Anwender von Pflanzenkohle und Produkten auf Basis von Pflanzenkohle und
  • die Sicherstellung der nachhaltigen Produktion von Pflanzenkohle.

Da sich die Pflanzenkohle-Technologie weiterhin sehr rasch entwickelt, ist die EBC-Zertifizierung mit dieser wissenschaftlichen und technischen Dynamik eng verknüpft und wird jedes Jahr nach den neuesten Erkenntnissen und Entwicklungen überarbeitet. Auch Grenzwerte und Analysemethoden werden jeweils an die neuesten Erkenntnisse angepasst oder wenn nötig neu eingeführt. Im Rahmen der EBC-Zertifizierung existieren verschiedene Zertifizierungsstufen, die sich nach Art der Anwendung der Pflanzenkohle richten. Für die Anwendung von Pflanzenkohle in der Landwirtschaft existieren die Zertifizierungsstufen EBC-Agro und EBC-AgroBio, welche die Anforderungen an die aktuelle EU-Düngemittelverordnung erfüllen. Eine Übersicht über die verschiedenen Zertifizierungsstufen bietet die aktuelle Version der European Biochar Certificate – Richtlinien für die Zertifizierung von Pflanzenkohle. Durch die hohen Standards der EBC-Zertifizierung gilt z.B. die Zertifizierungsstufe EBC-AgroBio in der Schweiz als Voraussetzung für den Einsatz von Pflanzenkohle als Bodenverbesserer.

Für die Herstellung von Pflanzenkohle sind alle Biomassen zugelassen, die auf der EBC-Positivliste verzeichnet sind. Sie dürfen dabei einzeln oder gemischt als Ausgangsstoff verwendet werden. Für jede EBC-Zertifizierungsklasse gelten jedoch bestimmte Einschränkungen (s. EBC-Positivliste). Des Weiteren darf die Art der Biomasse innerhalb einer Charge nicht verändert werden bzw. dürfen sich Mischungsverhältnisse um nicht mehr als 20 % verändern. Die Verwendung mineralischer Zusätze ist grundsätzlich gestattet (ausgenommen ist EBC-Futter), bei Zusatz von mehr als 10 % bezogen auf Pflanzenkohle-Masse wird jedoch eine Genehmigung durch CSI erforderlich[23].

Der Ablauf einer EBC-Zertifizierung gliedert sich grob in vier Abschnitte und wird überblicksartig in Tabelle 2 dargestellt (Details s. aktuelle Version der European Biochar Certificate – Richtlinien für die Zertifizierung von Pflanzenkohle[23]). Als grundsätzliche Anforderung an die Pyrolysetechnik muss zum einen die Nutzung der Abwärme oder Nutzung der flüssigen und gasförmigen Pyrolyseprodukte gewährleistet werden, zum anderen müssen national festgelegte Emissionsgrenzwerte eingehalten werden. Für die resultierende Pflanzenkohle gilt, dass sie alle Zertifizierungsklassen mindestens nach dem EBC-Basic-Analysepaket analysiert werden und festgelegte Grenzwerte einhalten muss. Darüber hinaus können weitere Analysevorgaben gelten, wie z.B. Analysen des EBC-Futterpakets für EBC-Futter.

Tabelle 2: Verfahren zur Zertifizierung von Pflanzenkohle gemäß EBC-Richtlinien[23]
Zertifizierungsschritt Verfahren
Anmeldung zur Zertifizierung -         Registrierung unter www.european-biochar.org
Technisches Voraudit -         Durchführung durch Carbon Standard International

-         Ziel: Vorgaben des EBC hinsichtlich Probenahme und Gütesicherung auf Besonderheiten des Betriebs anpassen

-         1. Schritt: Hochladen detaillierte technische Beschreibung und Flussdiagramme des Produktionsprozesses auf die EBC-Website

-         2. Schritt: Klärung offener Fragen, technischer Details der Produktion und Umfang der Vor-Ort-Inspektion mit dem Ithaka-Institut sowie Erarbeitung des Probenahmenplans

Probennahme- und analyse -         Durchführung der Probennahme durch akkreditierten Probennehmer

-         Probenanalyse in EBC-akkreditierten Labor

-         Aufbewahrung von regelmäßigen Rückstellproben für mind. 2 Jahre

Langfristiger Qualitätssicherungsprozess -         Benennung eines Qualitätsmanagers/ einer Qualitätsmanagerin zur:

-         Durchführung von Maßnahmen zur Sicherung und Lenkung der Pflanzenkohle-Qualität

-         Ordnungsgemäßen Dokumentation und Evaluierung des Betriebsprozesses

Fußnoten

  1. Spokas, K. A. (2010): Review of the stability of biochar in soils: predictability of O:C molar ratios, Carbon Management 1(2), 289-303]
  2. 2,0 2,1 IPCC (2019): Appendix4: Method for Estimating the Change in Mineral Soil Organic Carbon Stocks from Biochar. Refinement to the 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories https://www.ipcc-nggip.iges.or.jp/public/2019rf/pdf/4_Volume4/19R_V4_Ch02_Ap4_Biochar.pdf
  3. European Biochar Certificate (2021): Richtlinien für die nachhaltige Produktion von Pflanzenkohle Version 9.5.G S. 18 (https://+www.european-biochar.org/media/doc/2/version_de_9_5.pdf Stand 01.08.2021)
  4. UBA (2016): Chancen und Risiken des Einsatzes von Pflanzenkohle und anderer „veränderter“ Biomasse als Bodenhilfsstoffe oder für die C-Sequestrierung in Böden, Dessau-Roßlau 2016, S. 6.  (https://www.umweltbundesamt.de/publikationen/chancen-risiken-des-einsatzes-von-biokohle-anderer Stand 24.01.2023)
  5. Spokas, K. A. (2010): Review of the stability of biochar in soils: predictability of O:C molar ratios, Carbon Management 1(2), 289-303]
  6. Schmidt, H-P; Kammann, C.; Hagemann, N.; Leifeld, J.; Bucheli, T. D.; Monedero, M. A. S.; Cayuela, M. L. (2021): Biochar in agriculture –  A systematic review of 26 global meta- analyses. GCB Bioenergy. 2021;13:1708–1730. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/gcbb.12889
  7. Glaser, B. & Lehr, v. (2019):  Biochar effects on phosphorus availability in agricultural soils: A meta-analysis. In scientific reports. (https://www.nature.com/articles/s41598-019-45693-z Stand 24.01.2023)
  8. Glaser, B. & Lehr, v. (2019):  Biochar effects on phosphorus availability in agricultural soils: A meta-analysis. In scientific reports. (https://www.nature.com/articles/s41598-019-45693-z Stand 24.01.2023)
  9. Eckel, Heyo; Hüttemann, Ulrich; Rink, Claus. Deutsches Ärzteblatt (1997): Umweltthema im September: Bodenbelastung durch Schwermetalle. 94(37): A-2306 / B-1968 / C-1851 (https://www.aerzteblatt.de/archiv/7594/Umweltthema-im-September-Bodenbelastung-durch+Schwermetalle Stand 24.01.2023)
  10. Inyang et al. (2015): A review of biochar as a low-cost adsorbent for aqueous heavy metal removal (https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/10643389.2015.1096880?journalCode=best20 Stand 24.01.2023)
  11. Schmidt, H.P., Hagemann, N.,  Abächerli, F., Leifeld, J., , Bucheli, T. (2021): Pflanzenkohle in der Landwirtschaft. Hintergründe zur Düngerzulassung und Potentialabklärung für die Schaffung von Kohlenstoff-Senken. Agroscope Science Nr. 112 / 2021, S. 24. (https://ira.agroscope.ch/de-CH/publication/46567 Stand 20.12.2022)
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